The analysis of synapse pathology in motor neuron diseases using iPSCs

• Project/Area Number: 21K07471
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 52020:Neurology-related
• Research Institution: Aichi Medical University
• Principal Investigator: 丹羽 淳一 愛知医科大学, 医学部, 教授 (50378022)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡田 洋平 愛知医科大学, 加齢医科学研究所, 教授 (30383714) ; 伊藤 卓治 愛知医科大学, 加齢医科学研究所, 助教 (30794151)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 疾患特異的iPS細胞 / 運動ニューロン疾患 / 神経筋接合部 / 運動ニューロン / 骨格筋 / オプトジェネティクス / 疾患iPS細胞 / iPS細胞 / 神経筋接合部（NMJ） / シナプス

Outline of Research at the Start

様々な神経筋疾患では、運動ニューロンと骨格筋の相互作用による病態が示唆されておりその相互作用の解析は本質的な病態解明に必要不可欠である。近年、様々な運動ニューロン疾患において、神経筋接合部や骨格筋病態の関与が示唆されているが、神経・筋シナプス機能の評価はほとんどなされておらず、その実態は未解明である。そこで、本研究では、iPS細胞由来運動ニューロンと骨格筋の共培養システムを開発し、運動ニューロン疾患の疾患特異的iPS細胞を用いた神経・筋シナプス機能の解析を行う。

Outline of Annual Research Achievements

運動ニューロンと骨格筋は主に神経筋接合部（Neuromuscular junction：NMJ）を介して情報伝達を行うため、このような疾患の病態解析のためには、NMJを介した運動ニューロンと骨格筋の相互作用を機能的に解析し得るモデルの開発が必要である。しかし、運動ニューロンと骨格筋の相互作用を一つの機能単位として捉え、NMJのシナプス機能を解析し得る疾患モデルの報告は乏しい。本研究では、ヒトiPS細胞を用いた神経・筋共培養システムを構築し、その機能性を明らかにすることで、様々な神経筋疾患の病態解析に応用することを目的としている。
まず、ヒトiPS細胞から誘導した運動ニューロンと骨格筋による共培養を行い、神経筋接合部（NMJ）を形成させ、その過程を経時的に捉えることに成功した。次に、生理学的解析に用いるプローブの表面処理を改善し、培養条件を検討することで、プローブ上での安定的な共培養が可能になった。この方法を用いて、チャネルロドプシンを導入した運動ニューロンと骨格筋を共培養し、NMJの機能性を捉えることに成功した。さらに、三次元培養の手法を用いて、iPS細胞から三次元骨格筋組織を作成することに成功しており、さらなる解析を進めていく予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

NMJの機能性を解析し得る共培養システムや、三次元骨格筋組織の培養法を確立できており、概ね順調に進捗していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

三次元骨格筋組織を用いた解析、疾患特異的iPS細胞を用いた解析等を進めていく予定である。

Research Products

• [Journal Article] Genetic factors affecting survival in Japanese patients with sporadic amyotrophic lateral sclerosis: a genome-wide association study and verification in iPSC-derived motor neurons from patients (2023)
  • Author(s): Nakamura R, Tohnai G, Nakatochi M,… Onodera K, Ito T, Okada Y, Okano H, Sobue G
  • Journal Title: Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry Volume: 94 Issue: 10 Pages: 816-824
  • DOI: 10.1136/jnnp-2022-330851
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simple and efficient differentiation of human iPSCs into contractible skeletal muscles for muscular disease modeling (2023)
  • Author(s): Rashid Muhammad Irfanur、Ito Takuji、Miya Fuyuki、Shimojo Daisuke、Arimoto Kanae、Onodera Kazunari、Okada Rina、Nagashima Takunori、Yamamoto Kazuki、Khatun Zohora、Shimul Rayhanul Islam、Niwa Jun-ichi、Katsuno Masahisa、Sobue Gen、Okano Hideyuki、Sakurai Hidetoshi、Shimizu Kazunori、Doyu Manabu、Okada Yohei
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 8146-8146
  • DOI: 10.1038/s41598-023-34445-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Monomerization of TDP-43 is a key determinant for inducing TDP-43 pathology in amyotrophic lateral sclerosis (2023)
  • Author(s): Oiwa Kotaro、Watanabe Seiji、Onodera Kazunari、Iguchi Yohei、Kinoshita Yukako、Komine Okiru、Sobue Akira、Okada Yohei、Katsuno Masahisa、Yamanaka Koji
  • Journal Title: Science Advances Volume: 9 Issue: 31
  • DOI: 10.1126/sciadv.adf6895
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] iPS 細胞を用いた神経疾患の病態解明と治療戦略 (2023)
  • Author(s): 岡田洋平
  • Journal Title: 機能的脳神経外科 Volume: 62 Pages: 42-48
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] iPS細胞を用いた神経疾患研究 (2023)
  • Author(s): 岡田洋平、伊藤卓治、小野寺一成
  • Journal Title: 日本臨床検査医学会誌 Volume: 71 Pages: 704-710
• [Journal Article] The SYNGAP1 3'UTR variant in ALS patients causes aberrant SYNGAP1 splicing and dendritic spine loss by recruiting HNRNPK (2022)
  • Author(s): Yokoi S, Ito T, Sahashi K, Nakatochi M, Tohnai G, Nakamura R, Fujioka Y, Ishigaki S, Udagawa T, Izumi Y, Morita M, Kano O, Oda M, Sone T, Okano H, Atsuta N, Katsuno M, Okada Y*, Sobue G*
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Volume: 42 Issue: 47 Pages: 8881-8896
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0455-22.2022
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] SBMAの病態解明・治療開発研究 (2022)
  • Author(s): 岡田梨奈、岡田洋平
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 73 Pages: 480-481
• [Journal Article] Two distinct mechanisms of neuropathy in immunoglobulin light chain (AL) amyloidosis (2021)
  • Author(s): Koike H, Mouria N, Fukamia Y, Iijima M, Matsuo K, Yagi N, Saito A, Nakamura H, Takahashi K, Nakae Y, Okada Y, Tanaka F, Sobue G, Katsuno M
  • Journal Title: Commun Biol. Volume: 421 Pages: 117305-117305
  • DOI: 10.1016/j.jns.2020.117305
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Selective suppression of polyglutamine-expanded protein by lipid nanoparticle-delivered siRNA targeting CAG expansions in the mouse CNS. (2021)
  • Author(s): Hirunagi T, Sahashi K, Tachikawa K, Leu AI, Nguyen M, Mukthavaram R, Karmali PP, Chivukula P, Tohnai G, Iida M, Onodera K, Ohyama M, Okada Y, Okano H, Katsuno M.
  • Journal Title: Mol Ther Nucleic Acids. Volume: 24 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1016/j.omtn.2021.02.007
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a Human Neuromuscular Tissue-on-a-Chip Model on a 24-Well-Plate-Format Compartmentalized Microfluidic Device (2021)
  • Author(s): Yamamoto K, Yamaoka N, Imaizumi Y, Nagashima T, Furutani T, Ito T, Okada Y, Honda H, Shimizu K
  • Journal Title: Lab on a Chip Volume: 21 Issue: 10 Pages: 1897-1907
  • DOI: 10.1039/d1lc00048a
  • NAID: 120007169522
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Antiparkinsonian drugs as potent contributors to nocturnal sleep in patients with Parkinson's disease. (2021)
  • Author(s): Taguchi S, Koide H, Oiwa H, Hayashi M, Ogawa K, Ito C, Nakashima K, Yuasa T, Yasumoto A, Ando H, Fujikake A, Fukuoka T, Tokui K, Izumi M, Tsunoda Y, Kawagashira Y, Okada Y, Niwa JI, Doyu M.
  • Journal Title: PLoS One. Volume: 16 Issue: 7 Pages: e0255274-e0255274
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0255274
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Elucidating early pathophysiology of spinal-bulbar muscular atrophy using disease-specific iPSCs (2023)
  • Author(s): 小野寺 一成, 下門 大祐, 石原 康晴, 太田 明伸, 宮 冬樹, Rashid Muhammad Irfanur, 伊藤 卓治, 岡田 梨奈, 細川 好孝, 道勇 学, 祖父江 元, 勝野 雅央, 岡野 栄之, 岡田 洋平
  • Organizer: 第64回日本神経学会学術大会
• [Presentation] Pathophysiological analysis of motor neuron diseases focusing on neuromuscular interactions (2023)
  • Author(s): Okada Y
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
  • Invited
• [Presentation] iPS細胞を用いた神経変性疾患の病態解明・治療開発研究 (2023)
  • Author(s): 岡田洋平
  • Organizer: 愛知医科大学加齢医科学研究所40周年記念学術講演会
• [Presentation] Understanding the pathology caused by neuromuscular interactions in motor neuron disease (2023)
  • Author(s): Okada Y
  • Organizer: Fujita International Symposium on Brain Science 2023
  • Invited
• [Presentation] Exploration of pathogenic molecules in motor neuron disease using the human ipsc-derived neuromuscular model (2023)
  • Author(s): Ito T, Rashid MI, Onodera K, Okada R, Shimojo D, Tanaka S, Katsuno M, Sobue G, Doyu M, Okano H, Okada Y
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] The effects of small molecule compounds on the differentiation and maturation of iPSCderived skeletal muscle (2023)
  • Author(s): Jamee FU, Ito T, Rashid MI, Sakurai H, Okada Y
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Establishment of a more efficient disease model for ALS using feeder-free disease specific iPSCs (2023)
  • Author(s): Khatun Z, Onodera K, Yamaguchi S, Okada R, Ito T, Rashid MI, Inoue H, Aoki M, Okano H, Doyu M, Okada Y
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] The effects of small molecule compounds on the maturation of iPSC-derived skeletal muscle (2023)
  • Author(s): Jamee FU, Ito T, Rashid MI, Sakurai H, Okada Y
  • Organizer: 第23回日本再生医療学会総会
• [Presentation] ALSの早期診断・遺伝子診断 (2023)
  • Author(s): 中村亮一、熱田直樹，藤内玄規，丹羽淳一，道勇 学，祖父江 元
  • Organizer: 第64回日本神経学会学術大会
  • Invited
• [Presentation] 筋萎縮性側索硬化症（ALS）新規治療基軸エダラボンの臨床効果に関する検証 (2023)
  • Author(s): 湯淺知子，川頭祐一，丹羽淳一，道勇 学
  • Organizer: 第64回日本神経学会学術大会
• [Presentation] Genetic factors affecting survival in Japanese patients with sporadic amyotrophic lateral sclerosis: a genome-wide association study and verification in iPSC-derived motor neurons from patients (2023)
  • Author(s): Nakamura R, Tohnai G, Nakatochi M, Niwa JI, Doyu M, Fujimori K, Morimoto S, Okada Y, Okano H, Sobue G et al.,
  • Organizer: 34th international symposium on ALS/MND
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] iPS細胞を用いたSBMAの病態解明、治療開発研究 (2022)
  • Author(s): 岡田洋平
  • Organizer: SBMAの会 2022年度医療セミナー
  • Invited
• [Presentation] iPS細胞を用いた神経疾患の病態解明と治療戦略 (2022)
  • Author(s): 岡田洋平
  • Organizer: 第62回日本定位・機能神経外科学会
  • Invited
• [Presentation] Elucidating early pathophysiology of spinal-bulbar muscular atrophy using disease-specific iPSCs (2022)
  • Author(s): 小野寺一成, 下門大祐, Bruno De Araujo Herculano1, 石原康晴, 依田真由子, 太田明伸, 矢野真人, 宮冬樹, Rashid Muhammad Irfanur, 伊藤卓治, 岡田梨奈, 角田達彦, 細川好孝, 道勇学, 祖父江元, 勝野雅央,岡野栄之,岡田洋平
  • Organizer: 第63回日本神経学会学術大会
• [Presentation] Monomerization of TDP-43 is a key determinant for inducing TDP-43 pathology in ALS (2022)
  • Author(s): 大岩康太郎, 渡邊征爾, 小野寺一成, 井口洋, 岡田洋平, 勝野雅央, 山中 宏二
  • Organizer: 第63回日本神経学会学術大会
• [Presentation] 疾患iPS細胞由来神経・筋共培養モデルを用いた運動ニューロン疾患の非細胞自律的神経変性を担う分子病態の解明 (2022)
  • Author(s): 伊藤卓治、ラシッド ムハンマド イルファヌール、小野寺一成、岡田梨奈、下門大祐、田中智史、勝野雅央、祖父江元、道勇学、岡野栄之、岡田洋平
  • Organizer: 第33回日本末梢神経学会学術集会
• [Presentation] Establishment of a more efficient disease model for ALS using feeder-free disease specific iPSCs (2022)
  • Author(s): Khatun Z, Onodera K, Yamaguchi S, Okada R, Ito T, Rashid MI, Inoue H, Aoki M, Okano H, Doyu M, Okada Y
  • Organizer: 第33回日本末梢神経学会学術集会
• [Presentation] 疾患iPS細胞由来神経・筋共培養モデルを用いた運動ニューロン疾患の非細胞自律的神経変性を担う分子病態の解明 (2022)
  • Author(s): 伊藤卓治、ラシッド ムハンマド イルファヌール、小野寺一成、岡田梨奈、下門大祐、田中智史、勝野雅央、祖父江元、道勇学、岡野栄之、岡田洋平
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Establishment of a more efficient disease model for ALS using feeder-free disease specific iPSCs (2022)
  • Author(s): Khatun Z, Onodera K, Yamaguchi S, Okada R, Ito T, Rashid MI, Inoue H, Aoki M, Okano H, Doyu M, Okada Y
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Bulk differentiation of iPSCs into contractible muscles for muscular disease modeling (2022)
  • Author(s): Rashid MI, Ito T, Miya F, Shimojo D, Arimoto K, Onodera K, Okada R, Nagashima T, Yamamoto K, Khatun Z, Okano H, Sakurai H, Shimizu K, Doyu M, Okada Y
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 疾患iPS細胞由来神経・筋共培養モデルを用いた運動ニューロン疾患の非細胞自律的神経変性を担う分子病態の解明 (2022)
  • Author(s): 伊藤卓治、ラシッド ムハンマド イルファヌール、小野寺一成、岡田梨奈、下門大祐、田中智史、勝野雅央、祖父江元、道勇学、岡野栄之、岡田洋平
  • Organizer: 第22回日本再生医療学会総会
• [Presentation] Establishment of a more efficient disease model for ALS using feeder-free disease specific iPSCs (2022)
  • Author(s): Khatun Z, Onodera K, Yamaguchi S, Okada R, Ito T, Rashid MI, Inoue H, Aoki M, Okano H, Doyu M, Okada Y
  • Organizer: 第22回日本再生医療学会総会
• [Presentation] 疾患特異的iPS細胞を用いた球脊髄性筋萎縮症（SBMA）の早期病態解明と治療開発 (2022)
  • Author(s): 小野寺一成、下門大祐、石原康晴、太田明伸、Muhammad Irfanur Rashid、伊藤卓治、岡田梨奈、細川好孝、道勇学、祖父江元、勝野雅央、岡野栄之、岡田洋平
  • Organizer: 第22回日本再生医療学会総会
• [Presentation] 疾患特異的iPS細胞を用いた運動ニューロン疾患の病態解明と治療開発 (2021)
  • Author(s): 岡田洋平
  • Organizer: 第62回日本神経学会学術大会
  • Invited
• [Presentation] 病態に基づいた神経疾患の再生戦略 (2021)
  • Author(s): 岡田洋平
  • Organizer: 浜松医科大学尖端医学シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 疾患特異的iPS細胞を用いた神経・筋病態の解明 (2021)
  • Author(s): 岡田洋平
  • Organizer: 第60回日本臨床検査医学会東海・北陸支部総会、第344回日本臨床化学会東海・北陸支部例会 連合大会
  • Invited
• [Presentation] Elucidating early pathophysiology of spinal-bulbar muscular atrophy using disease-specific iPSCs (2021)
  • Author(s): 小野寺一成, 下門大祐, de Ara?jo Herculano B,石原康晴, 依田真由子, 太田明伸, 矢野真人, 宮冬樹, Rashid MI, 伊藤卓治, 岡田梨奈, 角田達彦, 細川好孝, 道勇学, 祖父江元, 勝野雅央, 岡野栄之, 岡田 洋平
  • Organizer: 第62回日本神経学会学術大会
• [Presentation] SynGAP variant from ALS cohort causes spine abnormality by excessive recruitment of FUS and hnRNPK (2021)
  • Author(s): 横井聡, 伊藤卓治, 佐橋健太郎, 中村亮一, 石垣診祐, 熱田直樹, 勝野雅央, 岡田 洋平, 祖父江元
  • Organizer: 第62回日本神経学会学術大会
• [Presentation] 脳卒中患者における自律神経機能と病状との関連 (2021)
  • Author(s): 中島 康自, 小出 弘文, 林 未久, 伊藤 千弘, 湯淺 知子, 安本 明弘, 安藤 宏明, 田口 宗太郎, 藤掛 彰史, 福岡 敬晃, 徳井 啓介, 川頭 祐一, 岡田 洋平, 丹羽 淳一, 道勇 学
  • Organizer: 第62回日本神経学会学術大会
• [Presentation] Allele selective suppression of mutant polyQ protein by LNP-delivered siRNA targeting CAG expansions (2021)
  • Author(s): 蛭薙智紀, 佐橋健太郎, 立川潔, Leu A, Nguyen M, Mukthavaram R, Karmali P, Chivukula P, 藤内玄規, 飯田円, 小野寺一成, 大山学, 岡田 洋平, 岡野栄之, 勝野雅央
  • Organizer: 第62回日本神経学会学術大会
• [Presentation] The effects of g-secretase inhibitor on differentiation of iPSC-derived neurons (2021)
  • Author(s): 福井ナナミ、伊藤卓治、杉山香織、岡田梨奈、小野寺一成、Zohora Khatun、道勇学、岡田洋平
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会 CJK第1回国際会議
• [Presentation] Establishment of hiPSC-derived functional neuromuscular models for the analysis of neuromuscular diseases (2021)
  • Author(s): 伊藤卓治、ラシッド ムハンマド イルファヌール、田中智史、下門大祐、岡野栄之、道勇学、岡田洋平
  • Organizer: ヒトiPS細胞由来運動ニューロンと骨格筋を用いた機能的神経筋共培養モデルの構築、第44回日本神経科学大会 CJK第1回国際会議
• [Presentation] Efficient, reproducible, and functional differentiation of human induced pluripotent stem cells (iPSCs) into skeletal muscles for muscular disease modeling. (2021)
  • Author(s): Rashid MI, Ito T, Shimojo D, Khatun Z, Sakurai H, Shimizu K, Doyu M, Okada Y.
  • Organizer: PACTALS 2021 NAGOYA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Elucidating early pathophysiology of Spinal-bulbar muscular atrophy using diseasespecific iPSCs. (2021)
  • Author(s): Onodera K, Shimojo D, de Ara?jo Herculano B, Ishihara Y, Yoda M, Ota A, Rashid MI, Ito T, Okada R, Hosokawa Y, Doyu M, Sobue G, Katsuno M, Okano H, Okada Y
  • Organizer: ISSCR/JSRM 2021 Tokyo International Symposium, Tokyo
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Establishment of iPSC-derived neuromuscular co-culture model for the analysis of non-cell autonomous neurodegeneration in motor neuron diseases (2021)
  • Author(s): Ito T, Rashid MI, Tanaka S, Shimojo D, Okano H, Doyu M, Okada Y.
  • Organizer: ISSCR/JSRM 2021 Tokyo International Symposium, Tokyo
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Efficient, reproducible and functional differentiation of human iPSCs into skeletal muscles for muscular disease modeling. (2021)
  • Author(s): Rashid MI, Ito T, Shimojo D, Khatun Z, Sakurai H, Shimizu K, Doyu M, Okada Y.
  • Organizer: ISSCR/JSRM 2021 Tokyo International Symposium, Tokyo
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 愛知医科大学 医学部 神経内科
  • URL: https://www.aichi-med-u.ac.jp/su06/su0607/su060703/02.html
• [Remarks] 愛知医科大学 加齢医科学研究所 神経iPS細胞研究部門
  • URL: https://okadalab-hp.com/